Technische Fachhochschule Berlin
Fachbereich VIII
Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen – Umwelt

Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten
zur Klimatisierung von konventionellen Einfamilienhäusern

Diplomarbeit

eingereicht von
Jörg Fröhlich

Berlin, 30.November 2005

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... 3
Tabellenverzeichnis ... 4
Abkürzungsverzeichnis ... 5

1 Einleitung ... 6
1.1 Problemaufriß ... 6
1.2 Ziel der Arbeit ... 6
1.3 Skizzierung des Untersuchungsgegenstandes ... 7
1.4 Aufbau der Arbeit ... 7
1.5 Abgrenzung ... 8

2 Ausgangssituation ... 9
2.1 Der menschliche Wärmeaustausch ... 9
2.2 Einflußgrößen der Behaglichkeit ... 11
2.3 Die Raumheizsysteme ... 14
2.3.1 Kunststoff-Kapillarrohrmatten als Flächenheizsystem ... 14
2.3.2 Konventionelles Heizkörperheizsystem ... 19
2.3.3 Luftheizsystem ... 22

3 Untersuchungsgrundlagen ... 25
3.1 Das Musterhaus ... 25
3.2 Die Untersuchungsmodelle ... 26
3.2.1 Modell 1 ... 27
3.2.2 Modell 2 ... 28
3.3 Auslegungsberechnungen ... 29
3.3.1 Berechnung der Heizlast ... 29
3.3.2 Berechnung des Jahresheizwärme-/ Jahresendenergiebedarf ... 30
3.3.3 Berechnung der Kühllast ... 32
3.3.4 Berechnung des Jahreskälte-/ Jahresendenergiebedarf ... 32

4 Kostenberechnungen ... 34
4.1 Kostenarten ... 34
4.1.1 Investitionskosten ... 34
4.1.2 Betriebskosten ... 35
4.1.3 Verbrauchskosten ... 35
4.2 Kostenentwicklung bei Veränderung der Heizlast ... 36
4.3 Investitionskosten Modell 1 ... 37
4.3.1 Variante A1 ... 37
4.3.2 Variante B1 ... 38
4.3.3 Variante C1 ... 39
4.3.4 Variante A2 ... 40
4.3.5 Variante C2 ... 41
4.4 Investitionskosten Modell 2 ... 41
4.4.1 Variante D1 ... 41
4.4.2 Variante E1 ... 42
4.4.3 Variante F1 ... 44
4.4.4 Variante D2 ... 45
4.4.5 Variante F2 ... 45
4.5 Verbrauchskosten ... 45
4.5.1 Modell 1 ... 45
4.5.2 Modell 2 ... 46
4.6 Zwischenfazit ... 47
4.6.1 Kostenverteilung und –entwicklung ... 47
4.6.2 Kostenvergleich Modell 1 ... 48
4.6.3 Kostenvergleich Modell 2 ... 51
4.6.4 Ergebnisauswertung ... 53

5 Wirtschaftlichkeitsvergleich ... 54
5.1 Wirtschaftlichkeitsrechnung ... 54
5.2 Berechnungsgrundlagen für die Modelle ... 58
5.3 Wirtschaftlichkeitsvergleich Modell 1 ... 61
5.3.1 Annuitätenvergleich Variante A1 und C1 ... 62
5.3.2 Annuitätenvergleich Variante A2 und C2 ... 64
5.4 Wirtschaftlichkeitsvergleich Modell 2 ... 67
5.4.1 Annuitätenvergleich Variante D1 und F1 ... 67
5.4.2 Annuitätenvergleich Variante D2 und F2 ... 69
5.5 Ergebnisauswertung ... 71
5.6 Ergebniskritik ... 74

6 Fazit ... 79

Literaturverzeichnis ... 81

Anhang

1 Einleitung

1.1 Problemaufriß

Schutz und Unterkunft waren lange Zeit die Hauptfunktion von Wohngebäuden. Diese wurden unter den hier herrschenden Klimabedingungen so errichtet, daß sie im Winter möglichst wenig Wärme aus dem Gebäudeinneren verlieren. Die Heizung war oft nur auf eine ausreichende Temperatur im Hauptwohnraum ausgelegt. Mit zunehmendem Wohlstand wurden die Heizungssysteme aufwendiger, ein angenehmes Temperaturniveau konnte in allen Wohnräumen realisiert werden.

Der Anspruch der Nutzer an ein Wohngebäude hat sich in den letzten Jahren weiter gewandelt. Menschen verbringen mehr Zeit in den eigenen vier Wänden, ein Einfamilienhaus wird immer mehr zum Lebensraum. Neben der Beheizung ist ein zunehmendes Interesse an der Kühlung von im Sommer thermisch stark belasteten Räumen, wie z.B. ausgebauten Dachgeschossen, zu verzeichnen. Derartige Verbesserung des Komfort führen aber, bei Einsatz herkömmlicher Technik, unweigerlich zu einer Steigerung des Energieverbrauches. Ein weiter wachsender Energiebedarf für die Klimatisierung von Wohngebäuden ist bei der heute schon angespannten Situation an den Energiemärkten, dem allgemein steigenden Bedarf und Verbrauch fossiler Energieträger und den hieraus resultierenden Umweltbelastungen nicht akzeptabel. Eine Verbesserung des Komfort bei der Beheizung und gegebenenfalls Kühlung von Wohnräumen kann daher nur mit Hilfe effizienterer Anlagentechnik erzielt werden.
 

1.2 Ziel der Arbeit

In dieser Arbeit wird die Anlagentechnik von Einfamilienhäusern betrachtet. Ein modernes Flächenheizsystem auf der Basis von Kunststoff-Kapillarrohrmatten, dessen Einsatz in der Büroklimatisierung zu deutlichen Energieeinsparungen führt, bildet die Grundlage der Untersuchung. Durch die Gegenüberstellung dieses Systems zu einem gebräuchlichen und einem anderen zeitgemäßen Raumheizsystem soll dessen Eignung für den Einfamilienhausbereich geprüft werden. Insbesondere gilt es herauszufinden, in welchem Maß sich hier durch ein Kapillarrohrmatten-System Energiekosten senken lassen und ob sich die zusätzlichen Investitionskosten amortisieren.
 

1.3 Skizzierung des Untersuchungsgegenstandes

Am Beispiel eines konventionell errichteten Einfamilienhauses werden zwei Modelle entwickelt. Modell 1 basiert auf dem tatsächlichen Wärmedämmwerten des Hauses und hat einen hohen Heizwärmebedarf. Der energetische Gebäudestandard von Modell 2 entspricht dem eines gut ausgeführten Niedrigenergiehauses.

Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Beheizung des Gebäudes. Durch verschiedene Kombinationen von Raumheizsystemen mit effektiven Wärmeerzeugern werden für jedes Haus-Modell verschiedene Varianten für den Heizfall erstellt. Es wird im Modell 1 einem Flächenheizsystem aus Kapillarrohrmatten eine herkömmliche Heizkörperheizung und im Modell 2 eine moderne Luftheizung gegenübergestellt.

In einem zweiten Schritt wird neben der Auslegung für den Heizfall auch die Möglichkeit der sommerlichen Kühlung für die im Dachgeschoß gelegenen Wohnräume in die Berechnung mit einbezogen.
 

1.4 Aufbau der Arbeit

Zu Beginn werden kurz die Grundlagen des menschlichen Wärmeaustausches und die wichtigsten Einflußgrößen der Behaglichkeit beschrieben. Nachfolgend werden die drei verschiedenen Heizungssysteme vorgestellt. Neben der Erläuterung der Funktionsweise wird auch auf Vor- und Nachteile der Systeme bei technischer und energetischer Betrachtung eingegangen.

Anschließend werden die Untersuchungsgrundlagen dargestellt. Hier werden das Musterhaus, die Untersuchungsmodelle und -varianten skizziert sowie die Auslegungsberechnungen für die Heizungs- und Kühlsysteme erläutert.

Im folgenden Abschnitt werden die Kostenarten erklärt und alle Berechnungen für die Anlagenvarianten dargestellt und ausgewertet. Abschließend erfolgt eine erste Bewertung über einen Kostenvergleich.

Der Wirtschaftlichkeitsvergleich folgt im anschließenden Kapitel. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Gegenüberstellung der jährlichen Kosten der Anlagenvarianten. In einer abschließenden Bewertung werden die Untersuchungen einer kritischen Betrachtung unterworfen.
 

1.5 Abgrenzung

Mit dieser Arbeit soll die Eignung von Kunststoff-Kapillarohrmatten für die Klimatisierung von konventionellen Einfamilienhäusern geprüft werden. Hierfür wurden verschiedene Raumheizsysteme und Wärmeerzeuger miteinander kombiniert, der Vergleich erfolgt vornehmlich unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Technische Aspekte werden hauptsächlich zur Erläuterung von Vor- und Nachteilen der verschiedenen Systeme bei der Wärme- oder Kälteabgabe in die Räume betrachtet. Interaktionen zwischen Anlagenteilen, z.B. Lüftung/ Heizung, sollen an dieser Stelle nicht untersucht werden. Dies gilt auch für die Frage der konkreten Montageausführung im betrachteten Musterhaus.

 

2 Ausgangssituation

Die Erhaltung des Wohlbefinden, der Gesundheit sowie der Leistungsfähigkeit von Menschen, die sich in Gebäuden aufhalten, ist die wesentliche Aufgabe von Heizungs- und Klimaanlagen. Hierbei spielen das Behaglichkeitsempfinden der Menschen und der Wärmehaushalt ihres Körpers eine bedeutende Rolle. Nachfolgenden soll daher auf den menschlichen Wärmeaustausch, die wichtigsten Einflußfaktoren der Behaglichkeit und die Raumheizsysteme kurz eingegangen werden.
 

2.1 Der menschliche Wärmeaustausch

Zur Erhaltung seiner Lebensfähigkeit benötigt der menschliche Körper Wärme. Viele wichtige Organe des Körpers sind für ihre Funktionsfähigkeit auf eine nahezu konstante Temperatur von ca. 37.°C angewiesen. Diese Temperatur muß im Körper, unabhängig von den Umgebungsbedingungen und der augenblicklichen Wärmeproduktion des Körpers aufrechterhalten werden. Die erforderliche Wärme entsteht durch die, mit Hilfe des Luftsauerstoffes, im Körper stattfindende stufenweise Verbrennung von Nahrungsmitteln. Die Art und Intensität der körperlichen Aktivität bestimmt hierbei wieviel Wärme produziert wird. Über den Blutkreislauf wird die Wärme in alle Körperteile transportiert und so das erforderliche Gleichgewicht zwischen der vom menschlichen Körper erzeugten und der von ihm abgegebenen Wärme aufrechterhalten.¹

[...]

1. Vgl. Hausladen (1999), S. 3 ff.